Поле физическое

одно из осн. понятий физики, возникшее во 2-й пол. 17 в. [хотя термин "П. ф." был введен в физику значительно позднее англ. физиком Дж. К. Максвеллом; в математике появление; термина "поле" связано с работой англ. математика У. Р. Гамильтона "О кватернионах" (W. R. Hamilton, Lectures on quarternions, Dublin, 1853)]. С этого времени понятие П. ф. неоднократно изменяло свой смысл, сохранив, однако, на всех этапах этого изменения тесную связь с понятием пространства, выражающуюся в использовании понятия П. ф. для характеристики пространственно непрерывного распределения физич. величин. Представления совр. физики о П. ф. развертываются по двум существенно различным линиям – к л а с с и ч е с к о й и к в а н т о в о й. Классическая линия развития понятия П. ф. Эта линия начинается с установления Ньютоном закона всемирного тяготения (1687), который позволил вычислять П. ф. сил тяготения. Она продолжается в гидродинамич. работах Эйлера (50-е гг. 18 в.), рассматривавшего распределение скоростей в пространстве, заполненном движущейся идеальной жидкостью (поле скоростей). Наибольшие заслуги в становлении понятия П. ф. принадлежат англ. физику М. Фарадею (30-е гг. 19 в.), детально разработавшему понятие о силовых линиях П. ф. Классич. линия развития понятия П. ф. разветвляется на две. Главная ветвь связана с изучением П. ф. электрических и магнитных сил (закон Кулона, 1785), к-рые считались сначала независимыми, но благодаря работам дат. физика X. Эрстеда (1821), франц. физика А. Ампера (1826) и Фарадея (1831) они стали рассматриваться совместно – как компоненты единого электромагнитного П. ф. В этот период смысл понятия П. ф. зависел от представлений о природе действия сил. В концепции дальнодействия, восходящей к Ньютону, понятие П. ф. играло вспомогат. роль, оно служило лишь сокращенным обозначением области пустого пространства, в к-ром могут проявиться дальнодействующие силы. Зная потенциал П. ф., можно было вычислить в каждой точке пространства силу, действующую на помещенное туда тело, не обращаясь к закону взаимодействия тел. Носителями атрибутов физич. реальности (массы, энергии, импульса, заряда, силы) в этой концепции были тела, взаимодействующие на расстоянии без помощи к.-л. посредствующих агентов. При отсутствии хотя бы одного из взаимодействовавших тел отсутствовали и силы, т.е. П. ф. не имело самостоят. существования. В концепции близкодействия, берущей начало от Декарта, взаимодействие осуществлялось посредством изменения состояния промежуточной среды – эфира, заполняющего все пространство. Носителями энергии в этой концепции были не только взаимодейств. тела, но и окружающий их эфир, так что наряду с п о л е м с и л можно было говорить и о п о л е э н е р г и и. При этом как в механич. теориях, объяснявших возникновение сил механич. перемещением и упругим натяжением эфира, так и в чисто электромагнитных теориях, оставлявших эфир неподвижным и не деформируемым, П. ф. было по-прежнему лишено самостоят. существования. Будучи характеристикой изменения состояния эфира – субстанции, обладавшей первичной реальностью, П. ф. имело онтологич. статус его аттрибута, т.е. обладало только вторичной реальностью. Изменение это вызывалось дискретными источниками П. ф. – токами и зарядами, так что П. ф., неразрывно связанное с ними, в свободном от источников П. ф. эфире не существовало. Следующий шаг в развитии классич. понятия П. ф. связан с достижениями теории свободного динамич. электромагнитного П. ф. (электромагнитных волн, частным случаем к-рых является свет), к-рое, будучи создано, может существовать вне зависимости от породивших его источников (Максвелл, 1864; Герц, 1888). Благодаря этому стало возможным приписать П. ф. импульс. Однако поскольку эфир продолжал выполнять функцию материального носителя и для динамич. П. ф., последнее по-прежнему было лишено самостоят. существования, так что импульс П. ф. (равно как и его энергия) фактически был характеристикой не П. ф., а эфира. Вследствие этого выражение "энергия поля" следовало понимать не в его буквальном смысле, а как "поле энергии". Классич. теория электромагнитного П.ф. была завершена работами А. Эйнштейна по спец. относительности теории (1905). Лишение эфира функции быть абс. системой отсчета создало возможность для приписывания П. ф. самостоят. существования. Хотя такое решение и не диктовалось необходимостью, оно все же было принято большинством физиков. Превратившись из состояния материальной субстанции (эфира) в самостоят. материальную субстанцию, электромагнитное П. ф. разделило с веществом функции носителя энергии, импульса и массы. Энергия и импульс продолжают оставаться характеристиками движения. [Иногда статус материальной субстанции приписывают не П. ф., а энергии. Тем самым движение (энергия) (см. Ф. Энгельс, Диалектика природы, 1964, с. 45, 78, 168) превращается из атрибута в субстанцию. В этом случае П. ф. по-прежнему не имеет самостоят. существования, а служит характеристикой непрерывного распределения энергии в пространстве, что опять делает более правильным выражение "поле энергии", а не "энергия поля". Направление, приписывающее энергии статус субстанции, иногда отождествляется с энергетизмом).] Вторая ветвь классич. линии развития понятия П. ф. связана с достижениями в области теоретич. исследования П. ф. сил тяготения (гравитационного П. ф.). Начиная с Ньютона и вплоть до работ Эйнштейна по общей теории относительности (10-е гг. 20 в.) тяготение трактовалось на основе представления о дальнодействующих силах и не поддавалось включению в рамки концепции близкодействия. Опираясь на факт равенства инертной и тяжелой массы, Эйнштейн сформулировал реляти- вистскую теорию гравитац. П. ф., в к-рой как гравитационное П. ф., так и геометрич. св-ва пространства описываются одной и той же величиной. Это позволяет сделать новый шаг в развитии понятия П. ф. по сравнению с тем, что было достигнуто в классич. релятивистской теории электромагнетизма. Спец. теория относительности впервые вскрыла фундаментальную роль электромагнитного П. ф. в установлении метрических характеристик пространства и времени, зависящих, как оказалось, от скорости света. Но в ней пространственно-временной континуум по-прежнему оставался независимым элементом физич. реальности, служа лишь ареной взаимодействия П. ф. и вещества. Его можно было рассматривать как нечто абсолютное, ибо П. ф. и вещество существовали в пространстве – времени. В общей теории относительности пространственно-временной аспект реальности полностью выражается гравитац. П. ф., зависящим от четырех координат-параметров (три пространственных и одна временная). "...Он есть свойство этого поля. Если мы представим себе, что поле удалено, то не останется и "пространства", т.к. пространство не имеет независимого существования" (Эйнштейн ?., Сущность теории относительности, М., 1955, с. 147). То же самое, очевидно, можно сказать и о времени. Наличие в классич. физике двух видов физич. реальности, коренным образом различающихся по своей пространственной структуре (П. ф. и вещества), а также двух качественно различных типов П. ф. (электромагнитного и гравитационного) породило многочисл. попытки построить последовательную единую теорию П. ф., в к-рой гравитация и электромагнетизм, с одной стороны, должны быть не логически разобщенными видами П. ф., а различными аспектами одного, единого П. ф.; с др. стороны, частицы вещества должны трактоваться в ней как особые области П. ф., так что П. ф. и его источники, трактуемые как особые точки (сингулярности) П. ф., были бы единств. средством описания физич. реальности. Однако отсутствие успехов в последоват. и убедит. выполнении такой программы породило сильный скептицизм по отношению к ней, так что в наст. время она имеет не много сторонников. Квантовая линия развития п о н я т и я П. ф. Эта линия, продолжающаяся и в наст. время, возникла в связи с потребностью интерпретировать результаты опытов по изучению фотоэффекта. Вплоть до работ Л. де Бройля (1924) представление о свете как потоке пространственно-дискретных частиц (фотонов), введенное Эйнштейном в 1905 для объяснения этих опытов, казалось несовместимым с классич. представлением о свете как пространственно непрерывном П. ф. Де Бройль предположил, что с каждой частицей (а не только с фотоном) связано волновое П. ф. Корпускулярно-волновой дуализм стал существенной чертой и в нерелятивистской квантовой механике. Однако ?-поле в ней не так прямолинейно онтологизируется, как у де Бройля и развивавших его идеи Э. Шредингера (1926, 1952) и Д. Бома (1952). Согласно копенгагенской интерпретации квантовой механики, разделяемой в наст. время подавляющим большинством ученых, ?-поле представляет собой т.н. п о л е вероятности (см. Микрочастицы). В релятивистской квантовой теории на совр. этапе ее развития квантовая теория волновых П. ф. является единств. способом описания элементарных частиц и их взаимодействий. В ее рамках понятие П. ф. претерпевает дальнейшее развитие. Благодаря волновым св-вам любых элементарных частиц и квантовым (корпускулярным) св-вам всех П. ф., каждое П. ф. (в прежнем, классич. смысле) является в то же время коллективом частиц, а каждый набор частиц (в прежнем, классич. понимании) представляет собой П. ф. Т.о., релятивистская квантовая теория на новой основе возвращается к онтологизации корпускулярно-волнового дуализма, трактуя ?-поле Шредингера как классич. П. ф. материи (см. Э. Хенли и В. Тирринг, Элементарная квантовая теория поля, М., 1963, с. 19). Существенно, что онтологич. равноправие частиц и П. ф. имеет место лишь при учете т.н. в и р т у а л ь н ы х ч а с т и ц. Если же учитывать только р е а л ь н ы е ч а с т и ц ы, то П. ф. оказывается онтологически более существенным, ибо оно имеет вакуумное состояние, в к-ром отсутствуют реальные частицы (но имеется неопределенное переменное количество виртуальных частиц, существование к-рых проявляется во флуктуациях вакуумного состояния П. ф.). Нередко проводят различия между П. ф. частиц-источников взаимодействия и П. ф. частиц- п е р е н о с ч и к о в взаимодействия. Это связано с трактовкой взаимодействия между частицами-источниками как обмена виртуальными квантами П.ф., служащего переносчиком взаимодействия. При достаточной интенсивности взаимодействия (мерой интенсивности служит энергия) виртуальные кванты могут превращаться в реальные, давая начало существованию т.н. свободных П. ф. Свободные П. ф., описывающие состояние частиц до и после взаимодействия, не являются наблюдаемыми, ибо наблюдение в квантовой механике неотъемлемо от взаимодействия. Последнее же, с т. зр. квантовой теории П. ф., есть не что иное, как превращение одного определ. состояния П. ф. (совокупности частиц) в другое. Взаимодействие П. ф. обычно интерпретируют на основании представления о поглощении и испускании частиц. Эти частицы могут быть как реальными, так и виртуальными. У виртуальных частиц энергия и импульс подчиняются законам сохранения лишь с точностью до неопределенностей соотношения, поэтому на малых расстояниях может происходить обмен очень большим количеством виртуальных частиц. Это приводит к тому, что при наличии взаимодействий теряется отмеченная выше простая связь между частицами и П. ф. Взаимодействующие частицы (а также одна реальная частица, в отсутствии других взаимодействующая с вакуумом, а также со своим собств. П. ф., источником к-рого она сама является) окружены облаком виртуальных частиц. Строго говоря, с реальной частицей нельзя больше сопоставлять одно отд. П. ф. Др. словами, в ее образ входят в той или иной мере П. ф. всех др. элементарных частиц. Осн. трудности совр. квантовой теории П. ф. заключаются в отсутствии методов точного решения уравнений взаимодействующих П. ф. В квантовой электродинамике (теории взаимо-действия электромагнитного и электронно-позитронного П. ф.) приблизительное решение таких уравнений облегчается малостью силы взаимодействия, что позволяет использовать упрощенную модель взаимодействия (теорию возмущений). В теории же сильных взаимодействий, где квантовая теория П. ф. представляет собой лишь схему, до сих пор не решено строго ни одной задачи без предположения о малости взаимодействия. Необходимость привлечения всех П. ф. (в т.ч. и гравитационного, к к-рому также применим квантовый подход) для точного описания взаимодействий элементарных частиц породила стремление построить единую квантовую теорию. П. ф., к-рая не брала бы из опыта весь спектр масс и спинов элементарных частиц, а получила бы его автоматически. Наиболее известная попытка в этом направлении принадлежит Гейзенбергу (теория единого нелинейного спипорного П. ф. – "праматерии"), к-рая, однако, пока не принесла ощутимых физич. результатов. Упомянутые трудности квантовой теории П. ф. вызвали к жизни идею заменить попытки решения уравнений для операторов П. ф. построением такой системы уравнений, к-рая бы опиралась только на общие св-ва матрицы рассеяния (S-матрицы), непосредственно связывающей состояние свободного П. ф. до и после взаимодействия и не претендовала бы на детальное пространственно-временное описание процессов взаимодействия. На этом пути в наст. время нек-рыми учеными выдвигаются радикальные требования вообще отказаться от применения понятия П. ф. Это делается на основании допущения, что понятие пространственно-временного континуума не имеет физич. смысла в совр. микрофизике и по своему статусу похоже на понятие эфира в физике 19 в. (см. G. F. Chew, The dubious role of space-time continuum in microscopic physics, в журн.: "Science Progress", 1963, v. 51, No 204, p. 529). При этом отказ от использования пространственно-временных представлений (и вместе с ним представления о П. ф.) в микрофизике, разумеется, никоим образом не означает отказа от использования их в макрофизике (см. там жеи Е. I. Zimmerman, The macroscopio nature of space-time, в журн.: "American Journal of Physics", 1962, v. 30, p. 97). Однако большинство ученых по-прежнему считает необходимым использовать понятие П. ф. (а вместе с ним, естественно, и пространственно- временное представление) в качестве онтологич. основы для описания взаимодействия элементарных частиц. На этом пути в теории П. ф. возникает, в частности, интересная идея о существовании в природе т.н. к о м п е н с и р у ю щ и х П.ф., каждое из к-рых ответственно за сохранение той или иной фундаментальной физич. величины при взаимодействиях. Комплекс методологич. проблем, возникающих в связи с совр. представлениями о П. ф., чрезвычайно многогранен. Он включает проблему интерпретации крайне абстрактного математич. аппарата совр. теории П. ф. (в частности, сюда относится вопрос об онтологич. статусе виртуальных частиц) и проблему приемов описания взаимодействия (гамильтонов формализм или S-матрица?). Последняя проблема аналогична старой проблеме выражения движения в логике понятий, зафиксированной в апориях Зенона Элейского: как описывать взаимодействие – через его результаты (S-матрица) или через его пространственно-временное протекание (гамильтонов формализм). Сюда же относится и проблема адекватности описания взаимодействия на основе отд. представлений о П. ф. и о его источнике, поставленная Паули еще в 30-х гг. Дискуссии по всем этим и многим др. методологич. проблемам теории П. ф. продолжаются и еще далеки от своего завершения. Лит.: Максвелл Д. К., Избр. соч. по теории электромагнитного поля, пер. [с англ.], М., 1954; Эйнштейн ?., Инфельд Л., Эволюция физики, пер. с англ., 2 изд., М., 1956; Овчинников ?. ?., Понятие массы и энергии в их историч. развитии и филос. значении, М., 1957, с. 177; Марковы. ?., Гипероны и К-мезоны, М., 1958; его же, О совр. форме атомизма, "ВФ", 1960, No 3, 4; Штейнман Р. Я., Пространство и время, М., 1962, с. 68, 143; Кузнецов Б.Г., Развитие физич. идей от Галилея до Эйнштейна в свете совр. науки, М., 1963, гл. 2, 3, 4; Whittaker ?., The history of the theories of aether and electricity. The classical theories, L.– [a. o.], 1951.